博物馆青年说 | 文物保护中的生物学问题研究现状及展望

文物是人类在社会活动中遗留下来的具有历史、艺术、科学、以及社会文化价值的遗物和遗迹。文物类型丰富、材质多样，如果以存在形态划分包括可移动文物和不可移动文物；不可移动文物包括古遗址、古墓葬、古建筑、石窟寺等，通常在博物馆看到的主要为可移动文物，包括竹木漆器、纸质文物及纺织品等。

宏观上来看，不论是文物，还是生物，它们都存在于地球圈层中。包括大气圈、水圈、生物圈以及岩石圈，各圈层构成了千差万别的环境。著名生态学家惠特克在1969年将生物划分为5界，据统计，地球上已被记录在册的生物大约有250万种，其中动物约200万种，植物约35万种，微生物约3.7万种。

因此，文物、生物、环境它们各自的构成要素本身复杂多样，如文物和生物类型丰富，环境包括了土壤、水分、温度、大气等多个因子。从三者的关系来看，它们之间既相互依存，又相互影响，三者的交集可总称为文物生态环境。文物保护中的大多数生物学问题都属于文物生态环境的研究范畴。

文物生态环境因子间相互关系概念图（制图：武发思）

1文物的生物病害及其防控技术

文物珍贵而脆弱，在多因素耦合作用下，文物病害多种多样。其中生物病害是造成文物劣化损害的主要因素之一，对于生物病害的长效防控也是文物保护中面临的难题。相关研究主要聚焦于3个方面：共有哪些生物？病害发生机理如何？怎样有效防控？

针对文物的生物病害，有生物退化、生物风化、生物降解、生物污损、生物腐蚀、生物矿化等多个专业词汇。其中涵盖面最广的是生物退化，指生物体导致物质材料的任何不良变化，包括物理或机械的、化学的、或美学的改变，文物价值受到削弱。需要指出的是，生物退化现象在自然界中普遍存在。

下面笔者将从植物、动物、微生物三个方面简要展示生物体导致文物生物病害的一些现象和表现形式。植物体在露天文物表面极为常见，如世界文化遗产地乐山大佛和吴哥窟长期遭受着植物的威胁，主要表现为植物的根劈作用造成的文物结构性破坏。一些乔木和灌木的根系对长城等土遗址的破坏也非常严重，导致遗址开裂甚至坍塌。有些树木的根系可以延伸到地下几十米，也会对墓葬壁画和地宫壁画造成危害。当前对病害植物主要采取机械清除的办法，如在乐山大佛，每年都要耗费大量人力清除佛像上的植物体。

植物对四川乐山大佛(A)和甘肃瓜州锁阳城遗址(B)及河北静志寺地宫(C)的危害

动物体机动灵活，对文物的损害现象也很常见。在一些石窟寺和古建筑，鸟类危害尤为突出，表现为鸟爪对文物的机械性损伤破坏和鸟粪污染。鼠类的活动及其排泄物对部分石窟文物造成了严重的污染损害。一些昆虫，比如鼠妇、拟步甲和夜蛾类，它们在壁画表面聚集活动和产卵作茧也会损害壁画。

昆虫类对馆藏书画、纺织品、木质文物的损害尤为严重，常见害虫有衣鱼、甲虫类、白蚁等。对于害虫的监测和防控，国内外广泛采用综合害虫管理体系（IPM）。近年基于北斗卫星系统和物联网传感器的白蚁监测技术逐渐发展，有望解决古建筑的白蚁危害监控问题。鸟害防治当前以防鸟网、防鸟刺、超声波驱赶器等机械和基于声-光-电技术为主，但受限于物理空间和鸟类适应性，鸟害问题在石窟寺和古建筑保护中仍然突出。

甘肃永靖炳灵寺石窟的鸟害(A)及武山拉梢寺壁画的虫害(B)

微生物病害问题在文物保护中非常普遍。近年来，文物的微生物退化机制研究取得了快速进展。已逐步阐明了菌丝体生长引起的机械膨胀，代谢产酸和生物酶等引起的生物降解，以及生物风化和生物腐蚀机制。国际上对吴哥窟石质文物生物病害研究重心已开始向微生物参与的碳、氮、硫元素生物地球化学循环过程转变，尤其关注活性微生物及其介导的生化反应；并强调了人类活动对文物生物风化的贡献。

微生物对古代壁画的危害主要表现为色素沉积污染降低美学价值，破坏颜料层结构，降解制作材料。馆藏丝质、纸质和木质等有机材质文物极易受到微生物破坏，一些金属、陶瓷器文物表面也常能发现微生物生长。在文物保护修复中，化学高分子材料的使用应格外小心，因为这些多聚物也能被微生物作为营养物所利用。

微生物对敦煌莫高窟壁画(A)、埃及图坦卡蒙墓壁画(B)、柬埔寨吴哥窟石质文物(C)及上海志丹苑元代水闸出土木质文物(D)的危害

近20年来，敦煌研究院在文物的生物病害研究中不断探索，逐步形成了针对石窟寺、土遗址和古建筑的病害生物监测与防控技术，并在文物保护中推广应用，成效明显。馆藏文物方面，依托重庆中国三峡博物馆，成立了馆藏文物有害生物控制研究国家文物局重点科研基地。

当前，越来越多的文博单位和高校科研院所已开始关注和研究文物保护中的生物学问题。国际上，无机纳米Ag2O、ZnO、TiO2、Ca(OH)2等抗菌和保护新材料快速兴起，并在世界各地文化遗产保护中广泛应用。

2生物技术在文物保护中的应用

借助于生物学领域高速发展的高通量测序、宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白组学等新型多组学技术，有望进一步从分子层面解析文物退化的生物学机制。

另一方面，生物也能在文物保护中发挥正面作用。如英国历史建筑与遗址委员会和牛津大学研究团队提出的植物软覆盖计划为古城墙保护提供了一个新思路。基于微生物和生物酶的生物技术已经走向壁画表面有机残留物清除和盐害治理，以及丝织品清洗加固和书画文物揭展等文物保护修复实践。

植物软覆盖保护古城墙(A)及生物技术清洗加固丝织文物(B)

同时，利用本土微生物的生物矿化作用形成碳酸钙和纳米级生物杂化材料，在西班牙一处修道院风化石材加固中取得了良好效果，这为石质文物的防风化提供了新机遇。

3问题与展望

首先，影响文物保存的生物类型众多，其危害机制和防控技术还有待进一步深入研究。其次，因全球气候变化、极端天气、过度旅游等因素引发的文物生物病害问题正在加剧。第三，多组学等新型生物技术有望在文物保护中发挥重要作用。

鉴于文物保护的特殊性，蝙蝠、鸟害、虫害防治仍然是一大难题。露天文物表面的植物病害可能反复发作。受全球气候变化、极端天气等因素影响，文物保护正在面临新的生物学问题和挑战。大遗址博物馆中的微生物病害问题当前还比较突出。水是生命之源，也是文物病害之因，虽然文物的微生物病害问题多数可归因于水分活动的影响，但建筑设计者、文物管理者、保护工作者有必要从生态环境平衡的角度有更多的思考。

文物保护中的生物学问题研究发展方向（制图：武发思）

2019年8月19日，习近平总书记在敦煌莫高窟考察时强调：“要十分珍惜祖先留给我们的这份珍贵文化遗产，坚持保护优先的理念，加强石窟建筑、彩绘、壁画的保护，运用先进科学技术提高保护水平，将这一世界文化遗产代代相传”。这为新时期做好我国文物保护事业指明了方向，提出了更高要求。因此，加强多学科联合攻关和协同创新，运用先进科学技术提高文物保护水平，不断推进文物保护生物学的学科建设和人才培养，是该领域未来的发展方向。

作者简介

武发思，敦煌研究院研究馆员。入选甘肃省优秀青年文化人才、陇原人才（B类）。现担任国际生物退化与生物降解学会（IBBS）中国代表。主要从事古代壁画与土遗址生物病害的监测与防治技术研究工作。主持及作为骨干成员参与完成国家级和省部级项目课题20余项。发表研究论文60余篇，参编专著2部，授权专利10余件，获甘肃省科技进步奖一等奖和国家文物局“十二五”文物保护科学和技术创新奖二等奖等奖励5项。曾赴英国牛津大学、美国盖蒂保护研究所、日本东京文化财研究所等国家机构进行文物保护方面的合作研究与访问交流活动。

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